压电振子的多维耦合振动(Ⅰ)——纯压电振子

本文利用表观弹性法分析了各种压电振子,包括矩形断面的长条、矩形板、实心圆柱和空心圆柱的二维和三维耦合振动的基模并且得到了上述振子的共振频率的极其简单的解析表达式。由这些公式计算了频率常数随振子几何尺寸改变的关系曲线。所得到的结果分别与用有限差法、有限元法以及里兹变分法所得到的结果满意地符合,也与实验结果满意地符合。 由于共振频率的计算公式极其简单,因此共振频率的计算可以用微型计算器很快完成而不必利用计算机,所以对工程设计和估算来说这种方法比上述种种方法要简便得多。 最后,应当强调指出这种方法显然也可用来计算复合压电振子的多维耦合振动的基频。     

声波测井压电振子的有限元分析

压电振子是新一代方位声波测井仪器中相控圆弧阵声波辐射器的重要组成部分。利用有限元法对构成圆弧阵的压电振子进行了设计分析,结果显示了压电振子存在多阶弯曲振动模态,且长度方向一阶弯曲振动能够满足方位声波测井的工作频率要求。针对长度方向一阶弯曲振动模式,数值模拟了几何尺寸对压电振子性能参数的影响。压电振子的谐振频率随着陶瓷片长度、基片或陶瓷片厚度的减小而降低;压电振子的辐射声功率随着陶瓷片长度或压电振子宽度的增加、基片或陶瓷片厚度的减小而增大;合理地选取长度和厚度可使压电振子具有较高的机电耦合系数。数值模拟结果可以对圆弧阵结构优化设计起到良好的指导作用。     

压电陶瓷薄圆环振子径向振动的机电等效电路及其分析

本文对轴向极化压电陶瓷薄圆环的径向振动进行了研究，推出了其机电等效电路，得出了振子的共振和反共振频率方程并进行了实验验证。探讨了振子的共振和反共振频率与其材料和几何尺寸之间的依赖关系。     

径向复合圆柱压电超声换能器

提出一种三元径向复合圆柱压电超声换能器,并对其径向振动特性进行了研究。基于弹性力学理论及机电类比原理,导出了柱坐标系中分割处理径向极化压电陶瓷管准厚度模振动及薄壁短圆管径向振动的机电等效电路;利用径向力和振速连续的边界条件,得出了径向复合圆柱压电换能器系统的径向振动机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器径向共振频率及有效机电耦合系数随其几何尺寸的变化关系。研究表明,换能器的径向共振频率及有效机电耦合系数随其内芯半径和预应力管壁厚度增大而降低。研制了一些径向复合圆柱压电换能器,并对其径向共振频率进行了测试。结果表明,理论与实验结果基本一致。      

纵向振子共振频率的理论和实验研究(1)

本文摘要总结了纵向振子径向和纵向共振频率的一些公式;对带孔和带盖板的圆盘振子,给出了计算径向共振频率的经验公式。本文重点研究了电边界条件对纵向共振频率的影响以及径向和纵向振动的耦合,并给出了适合工程计算的公式。其中耦合问题和实验与理论的比较在本文的第二部分介绍。     

压电陶瓷复合振子的电声效率与振子压电片位置关系的实验研究

压电陶瓷组成的功率超声复合振子,虽然有不少优点,但是在实际负载中,有时声负载匹配不够理想,声能不易辐射出去。如果压电片的位置放的不妥当,其声能就更辐射不出去,增加了换能器的损耗,降低了电声效率。本文从振子的晶片位置上研究了这个问题。 一、引言 关于复合振子的压电片位置,有人曾作过研究。例如:Shoh研究了压电片位置对振子内部功率损耗的影响。Lemaser在频率为10kHz下,研究了压电片的位置对阻抗、Q值和辐射端头位移的影响。汪承灏研究了压电片的位置对有效耦合系数的影响。我们根据压电片在振子中的位置不同,设计了多种20kHz的压电陶瓷复合振子。在超声工程常用的功率和位移振幅下,分两种情况试验:第一情况,向空气中辐射;第二种情况向水中辐射。通过这些实验,从压电陶瓷片在振子中的不同位置,观察它们的内部损耗功率和电声效率的变化。     

压电振子参数的电纳测量方法

通过对压电振子导纳轨迹的理论分析,本文提出了压电振子参数的电纳测量方法,并用该方法具体测定了钽酸锂(LiTaO_3)晶体的有关弹性常数和压电常数。     

悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获的随机共振机理研究

研究了利用系统非线性来提高悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获效率的随机共振机理,通过增加一对矩形永磁铁对传统线性悬臂梁压电振子结构进行了改进,结果揭示:在外部非线性磁力作用以及合适的磁铁间距条件下,这种外加磁力悬臂梁压电振子会构成一个双稳系统,在外部宽带低频随机振动源激励下发生随机共振现象,且发生随机共振时的输出电压明显增大,从而可以扩展悬臂梁压电振子的共振频率范围、提高低频振动能量的转化输出. 关键词： 压电悬臂粱 振动能量俘获 宽带低频 随机共振     

纵向振子共振频率的理论和实验研究

本文研究了纵向振子径向和纵向振动的耦合问题,并将理论与实验进行了比较。其结果表明,用本文总结的纵向振子径向和纵向共振频率的一些公式,可满足工程设计上的需要。     

径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。     

压电振子表面振动位移分布的激光干涉仪测量

本文提出了一种采用迈克尔逊干涉仪方法测量压电振子表面振动位移分布的简单方法。当其中一支光路引入一低频相位调制,可使测量结果不受环境机械振动和声噪声的干扰(包括带动微动台移动的马达机械振动和声噪声),因而可进行一维自动测量。当自动测量时,位移振幅一般需大于0.1A,当进行定点精密绝对测量时,最小可测位移为5×10~(-2)-5×10~(-3)A,最后给出了几种压电振子的测量结果。     

压电陶瓷振子的谐振频率温度稳定性分析

本文由压电陶瓷中铁电畴极化取向的程度以及绝热条件下的压电方程组出发,推导出压电陶瓷振子谐振频率温度系数T_kf以晶格热膨胀系数、剩余极化强度等为变量的表达式。用“纯”Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(锆钛酸铅)的实验数据代入表达式计算,得到准同型相界附近组成的T_kf对Zr/Ti的关系曲线,与实验结果较好地符合。由本文的结论,成功地解释了极化工艺及热处理工艺对T_kf的影响,并讨论了改善压电陶瓷的频率温度稳定性的可能途径。     

超声振子箝位压电直线微动马达研究

本文提出一种利用环形三叠片超声振子箝位的压电直线微动马达.这种马达的箝位振子与导轴形成摩擦付。振子共振时其动摩擦系数与静摩擦系数之比降为～0.1。箝位振子的激励电压仅为±80V(峰峰值).马达速度为0—2mm/min;位移分辨率为50nm;驱动力约0.2kgf.这种马达还具有工艺简单的特点.     

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。     

一种压电换能器辐射阻抗变换器

本文介绍一种借助穿孔板变换压电换能器辐射阻抗的装置。根据严格的声学理论阐明了这种变换器的工作原理和声学特性,导出了共振频率、品质因子、辐射阻和辐射效率增大倍数等重要参数的理论公式。文中还介绍了夹心式压电换能器采用这种变换器时的一系列对比试验,表明理论计算与实验结果良好相符。     

一种非均匀厚度压电复合材料片宽带换能器的实验研究

本文利用１－３压电复合材料作为换能元件，通过特殊工艺制备成一面是平面，一面是球面的非均匀厚度压电振子，这种压电晶片加上激励电压后，不同厚度处以不同的共振频率振动，从而使压电晶片的振动频带加宽，本文介绍了这种压电晶片的机电特性，以及用这种压电晶片制成的宽带聚焦超声换能器的脉冲回波特性，此外，文中还对这种换能器与均匀厚度压电晶片换能器的脉冲回波特性进行了比较。     

天线振子作为初值问题求解

根据计算实践和物理考虑,指出电磁场基本方程作为一阶双曲型偏微分方程组的初值问题,可以成为有效的天线振子数值计算方法。对于隐式差分格式,建议了一种交替方向追赶和外边界插值相结合的办法。讨论了圆柱对称振子的数值结果。     

压电单晶某些振动模的频率温度系数

本文从压电单晶振动模的频率温度系数定义出发,通过张量和矩阵等计算方法,推导出任意切割方向纵振动模的频率温度系数公式,以及厚度模反共振及共振频率温度系数公式.计算了铌酸锂单晶的这些振动模的频率温度系数,所得曲线对使用这种晶体具有一定的参考意义.     

夹心式纵-扭复合模式压电超声换能器的共振频率

本文对夹心式纵－扭复合振动模式压电超声换能进行了研究，从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出换热能器纵向振动模式及扭转振动模式的各自共振频率方程，实验表明，换能器各自共振频率的测试值与理论计算值基本符合。     

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。